Stabilität, Struktur und Photochemie von Wasserclustern

Wasser ist das wichtigste Lösungsmittel auf der Erde. Mit seinen einzigartigen Eigenschaften ermöglicht es biologische Prozesse. Der Wasserkreislauf, einschließlich der Wolkenkondensation, spielt eine Schlüsselrolle für das Klima, und Änderungen der Nukleationsrate haben ausgeprägte Auswirkungen auf die Wolkenbildung. Technologisch ist Wasser ein umweltfreundliches Lösungsmittel für chemische Prozesse und der Rohstoff für die Kohlenstoffdioxid-neutrale Produktion von Wasserstoff. In unserem Forschungsprojekt beschäftigen wir uns mit grundlegenden physikalischen und chemischen Eigenschaften von Wasser mit Clustern von bis zu etwa 100 Wassermolekülen. Solche kleinen Cluster können in einem Massenspektrometer untersucht werden, und chemische Veränderungen werden verfolgt, indem die Masse des Clusters zu einem bestimmten Zeitpunkt im Experiment gemessen wird. Der Ladungsträger, in unserem Fall ein Proton oder ein überschüssiges Elektron, verändert die Struktur des Wassernetzwerks in dessen Umgebung. Wir untersuchen die Stabilität des Wassernetzwerks für diese beiden Ladungsträger, mit einem Fokus auf Clustergrößen, die im Massenspektrum eine besonders hohe Intensität aufweisen. Diese magischen Clustergrößen stellen vermutlich Strukturen von besonderer Stabilität dar. Wir stimmen die Temperatur der Umgebung ab, messen die Lebensdauer des Clusters bezüglich der Verdunstung von Wassermolekülen und entwickeln Computermodelle für diese Reaktion. Zu diesem Zweck verwenden wir fortschrittliche quantenchemische Methoden, um die Schrödinger-Gleichung für alle Elektronen im Cluster zu lösen und die Schwingungen der Kerne zu beschreiben. In diesem Zusammenspiel von Experiment und Theorie entwickeln wir fortgeschrittene statistische Modelle für die Entwicklung von Wasserclustern in einer Umgebung mit thermischer Strahlung. In einer zweiten Reihe von Experimenten schließen wir ein teilweise oxidiertes Metallion in den Wassercluster ein, was zur Entwicklung von Wasserstoff führt. Dies ermöglicht es uns, die Rechenmodelle auf die Wasserstoffentwicklung auszuweiten, die für die großtechnische Produktion von Wasserstoff aus sauberen Energiequellen von entscheidender Bedeutung sind. Wir werden auch hochentwickelte Lasersysteme verwenden, um die Wassercluster in verschiedene Quantenzustände zu bringen und chemische Reaktionen, insbesondere Wasserstoffentwicklung, mit Licht auszulösen. Für diese Experimente ist eine genaue quantenchemische Beschreibung der beteiligten Quantenzustände unerlässlich, um die chemischen Reaktionen in elektronisch angeregten Zuständen zu verstehen.